【文章內(nèi)容簡介】 7 用的以太網(wǎng)控制器接入以太網(wǎng)的。對于單片機(jī)系統(tǒng)，在選擇以太網(wǎng)控制器時，要考慮一下幾個因素： 首先，要求所選的以太網(wǎng)控制器必須支持 8 位工作模式。實際上，只有部分基于ISA 總線的以太網(wǎng)控制器才能滿足此條件，所以基于 PCI 總線的不在此考慮之列。其次，要 考慮以太網(wǎng)控制器的片上緩存，最好選用具有足夠片上緩存的以太網(wǎng)控制器以簡化系統(tǒng)設(shè)計。再次，應(yīng)考慮以太網(wǎng)控制器與主機(jī)的數(shù)據(jù)交換形式，如有的可支持中斷或只可支持查詢，這勢必對系統(tǒng)設(shè)計產(chǎn)生一定的影響。最后，考慮其是否與NE2020 兼容。 根據(jù)上述分析，我們可以選擇采用臺灣 Realtek 公司生產(chǎn)的 10M 以太網(wǎng)接口芯片RTL8019AS。 RTL8019AS 控制器的介紹 RTL8019AS 是為了配合 PC 系統(tǒng)的 ISA 總線而設(shè)計的一款兼容 NE2020 的網(wǎng)絡(luò)接口的 10M 全雙工以太網(wǎng)控制器，性能優(yōu)良，價格低廉，在 10M 網(wǎng)卡 市場上曾有極高的占有率。雖然 10M 的以太網(wǎng)接入速率顯得“很慢”，但是對于處理速度和運(yùn)算能力都較弱的單片機(jī)而言，以這樣的速率接入網(wǎng)絡(luò)還是非常不錯的 [14]。 RTL8019AS 的特點主要包括如下幾個方面。 （ 1） 符合 EtherⅡ與 標(biāo)準(zhǔn)。 （ 2） 全雙工，收發(fā)可同時達(dá)到 10Mb/s 的速率。 （ 3） 支持即插即用（ PnP），用于計算機(jī)網(wǎng)卡時可減少系統(tǒng)配置的工作量。 （ 4） 內(nèi)置 16KB 的 SRAM，用于收發(fā)緩沖，降低 對主處理器的速度要求。 （ 5） 支持 8/16 位數(shù)據(jù)總線，具有 8 個中斷申請以及 16 個 I/O 基地址選擇。 （ 6） 支持 UTP、 AUI 和 BNC 自動檢測，還支持對 10BasT 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自動極性糾正。 （ 7） 允許 4 個診斷 LED 引腳可編程輸出。 100 引腳的 PQFP 封裝，縮小了 PCB 尺寸。 RTL8019AS 的工作原理 （ 1） RTL8019AS 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) RTL8019AS 內(nèi)部可分為遠(yuǎn)程 DMA 接口、本地 DMA 接口、 MAC（介質(zhì)訪問控制）邏輯、線路數(shù)據(jù)編碼解碼邏輯和其他端口。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 23 所示。 黑龍江東方學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 8 遠(yuǎn)程 DMA 接口是指 RT8019AS 提供給主控 CPU 對其內(nèi)部 RAM 進(jìn)行讀寫的總線接口。因為 RTL8019AS 是為了配合 PC 系統(tǒng)的 ISA 總線設(shè)計的 ，因此遠(yuǎn)程 DMA 接口指的就是符合 ISA 總線接口規(guī)范要求的三總線系統(tǒng)。單片機(jī)在控制 RTL8019AS 收發(fā)數(shù)據(jù)時只需提供符合 ISA 總線接口操作時序的總線信號就可對遠(yuǎn)程 DMA 操作。本地DMA 接口指的是 RTL8019AS 與物理層數(shù)據(jù)的連接通道，完成控制器與傳輸介質(zhì)之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換及傳輸。 MAC 介質(zhì)訪問控制邏輯完成以下功能：當(dāng)單片機(jī)向網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將一幀數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程 DMA 通道傳送到 RTL8019AS 中的發(fā)送緩存區(qū)，然后發(fā)出傳送命令；當(dāng) RTL8019AS 完成了上幀的發(fā)送后，再次開始此幀的發(fā)送。RTL8019AS 接 收到的數(shù)據(jù)通過 MAC 比較、 CRC 校驗后，由 FIFO 存到接受緩沖區(qū)；收滿一幀后，以中斷或寄存器標(biāo)志的方式通知 CPU。 FIFO 邏輯控制對收發(fā)數(shù)據(jù)的緩沖，以減少對本地 DMA 請求的頻率。本地 DMA 的操作優(yōu)先級要高于遠(yuǎn)程 DMA，RTL8019AS 或會通過 IOCHRDY 信號申請延時。不過對于單片機(jī)這樣總線操作速率遠(yuǎn)低于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)字節(jié)接收速率的 CPU 而言，不用關(guān)心總線延時的問題。 I S A 總 線 接 口遠(yuǎn) 程 D M A 接 口即 插 即 用（ P n P ） 控 制B o o t R O M控 制 接 口E E P R O M控 制 接 口M A C控 制 邏 輯1 6 K BS R A M本 地 D M A 接 口線 路 數(shù) 據(jù) 編 碼 譯 碼 邏 輯A U I 接 口 雙 絞 線 接 口 圖 23 RTL8019AS 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) （ 2） RTL8019AS 內(nèi)部 RAM 地址空間分 配 RTL8019AS 內(nèi)部有兩塊 RAM 區(qū)：一塊 16 字節(jié)，為數(shù)據(jù)緩沖 RAM。地址為0x4000～ 0x7FFF；一塊 32 字節(jié)，為配置寄存器區(qū)，地址為 0x0000～ 0x001F。數(shù)據(jù)緩黑龍江東方學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 9 沖 RAM 按頁存儲，每 256 字節(jié)為一頁，共有 64 頁。一般將數(shù)據(jù)緩沖 RAM 的前 12 頁（即 0x4000～ 0x4BFF）作為發(fā)送緩沖區(qū)；后 52 頁（即 0x4C00～ 0x7FFF）存儲區(qū)作為接收緩沖區(qū)。它實際上是一個雙端口的 RAM，有兩套總線連接到該 RAM，一套是RTL8019AS 讀 /寫該 RAM 的總線，即本地 DMA；另一套是外部 CPU 單片機(jī)讀 /寫該RAM 的總線，即遠(yuǎn)程 DMA。單片機(jī)要接收和發(fā)送數(shù)據(jù)報就必須通過遠(yuǎn)程 DMA 接口讀 /寫 RTL8019AS 內(nèi)部 16KB 的數(shù)據(jù)緩沖 RAM。 （ 3） RTL8019AS 的 I/O 地址及寄存器地址分配 RTL8019AS 共有 32 位 I/O 地址，地址偏移量為 0x00～ 0x1F。其中 0x00～ 0x0F 共16 個地址，對應(yīng) RTL8019AS 內(nèi)部的 16 個寄存器。 RTL8019AS 內(nèi)部寄存器共 4 頁，編號分別為 PAGE0、 PAGE PAGE PAGE3，每頁都有 16 個寄存器，它們的編址都是 0x00～ 0x1F，由 RTL8019AS 的 CR 中的 PS PS0 位來決定要訪問的頁，但與NE2020 兼容的寄存器只有前 3 頁。遠(yuǎn)程 DMA 地址共 8 個，從 0x10～ 0x17，功能相同，都可以用來做遠(yuǎn)程 DMA 端口。實際上使用時只要讀寫其中的一個就可操作RTL8019AS 內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖 RAM。復(fù)位端口包括 18H～ 1FH 共 8 個地址，功能一樣，用于 RTL8019AS 復(fù)位。 TCP/IP 協(xié)議棧 TCP/IP 協(xié)議的分層結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通常分不同層次進(jìn)行開發(fā)，每一層分別負(fù)責(zé)不同的通信功能。一個協(xié)議組件，例如 TCP/IP，是一組不同層次上的多個協(xié)議的組合 [15]。如圖 24 所示，圖 24中同時列出了各層主要的協(xié)議名稱。 協(xié) 議 分 層應(yīng) 用 層運(yùn) 輸 層鏈 路 層網(wǎng) 絡(luò) 層T e l n e t / F T P / F T T P 等T C P 和 U D PI P / I C M P / I G M P 等A R P / R A R P / 設(shè) 備 驅(qū) 動 程序 和 硬 件 接 口 程 序主 要 協(xié) 議 圖 24 TCP/IP 協(xié)議的分層結(jié)構(gòu) （ 1）鏈路層。也稱作數(shù)據(jù)鏈路層或網(wǎng)絡(luò)接口層，通常包括操作系統(tǒng)中的設(shè)備驅(qū)動黑龍江東方學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 10 程序和計算機(jī)中對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口卡。它們一起處理與傳輸媒體（如電纜、光纖或其它任何傳輸媒介）的物理接口細(xì)節(jié)。 （ 2）網(wǎng)絡(luò)層。也稱作互連網(wǎng)層，處理分組在網(wǎng)絡(luò)中的活動，例如分組的路由選擇。在 TCP/IP 協(xié)議組件中，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議包括 IP 協(xié)議（網(wǎng)際協(xié)議）、 ICMP 協(xié)議（ Inter 控制報文 協(xié)議）以及 IGMP 協(xié)議（ Inter 組管理協(xié)議）。 （ 3）運(yùn)輸層。主要為兩臺主機(jī)上的應(yīng)用程序提供端到端的通信。有兩個互不相同的傳輸協(xié)議： TCP 傳輸控制協(xié)議和 UDP 用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議。前者為兩個主機(jī)提供高可靠性的數(shù)據(jù)通信。它所做的工作包括把應(yīng)用程序交給它的數(shù)據(jù)分成合適的小塊交給下面的網(wǎng)絡(luò)層，確認(rèn)接收到的分組，設(shè)置發(fā)送最后確認(rèn)分組的超時時鐘等，由于運(yùn)輸層提供了高可靠行的端到端通信，因此應(yīng)用層可以忽略所有這些細(xì)節(jié)；后者則為應(yīng)用層提供了一種非常簡單的服務(wù)。它只是把稱作數(shù)據(jù)報的分組從一臺主機(jī)發(fā)送到另一臺主機(jī)，并不保證 該數(shù)據(jù)能到達(dá)另一端。數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃员仨氂蓱?yīng)用層保證。 （ 4）應(yīng)用層。其負(fù)責(zé)處理特定的應(yīng)用程序細(xì)節(jié)。 TCP/IP 協(xié)議棧的實現(xiàn)一般都會提供一些通用的應(yīng)用程序，例如 Tel 遠(yuǎn)程登錄、 FTP 文件傳輸協(xié)議、 SMTP 簡單郵件傳輸協(xié)議和 SNMP 簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議等 [16]。 在 TCP/IP 協(xié)議組件中，網(wǎng)絡(luò)層 IP 提供的是一種不可靠的服務(wù)，它只是盡可能快地把源端送到目的端，但是并不是提供任何可靠性服務(wù)。但是， TCP 在不可靠的 IP 層上提供了一個可靠的運(yùn)輸層。為了提供這樣可靠的服務(wù)， TCP 采用了超時重發(fā)、發(fā)送方和接收方進(jìn)行端 到端的分組確認(rèn)等機(jī)制，由此可見，網(wǎng)絡(luò)層和運(yùn)輸層分別負(fù)責(zé)不同功能的實現(xiàn)。雖然 TCP 使用不可靠的 IP 服務(wù)，但它卻提供可靠的運(yùn)輸服務(wù)，這些應(yīng)用通常都是用戶進(jìn)程。 UDP 為應(yīng)用程序發(fā)送和接收數(shù)據(jù)報。一個數(shù)據(jù)報是指從發(fā)送方 傳輸?shù)浇邮辗降囊粋€信息單元，但是與 TCP 不同的是 UDP 是不可靠的，它不能保證數(shù)據(jù)能安全無誤地到達(dá)最終目的地 [17]。 IP 是網(wǎng)絡(luò)層的主要協(xié)議，同時被 TCP 和 UDP 使用。 TCP 和 UDP 的每組數(shù)據(jù)都通過端系統(tǒng)和每個中間路由器中的 IP 層在因特網(wǎng)中進(jìn)行傳輸。 ICMP 是 IP 協(xié)議的附屬協(xié)議。 IP 層用它來與其他主 機(jī)或路由器交換錯誤報文和其他重要信息。盡管 ICMP 主要被 IP 使用，但應(yīng)用程序也有可能訪問。常用的診斷工具 Ping 和 Traceroute 使用的就是ICMP 協(xié)議。 IGMP 是 Inter 組管理協(xié)議。它用來把一個 UDP 數(shù)據(jù)報多播到多個主機(jī)。 ARP 地址解析協(xié)議和 RARP 反向地址解析協(xié)議某些網(wǎng)絡(luò)接口（如以太網(wǎng)和令牌環(huán)黑龍江東方學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 11 網(wǎng)）使用的特殊協(xié)議，用來轉(zhuǎn)換 IP 層和網(wǎng)絡(luò)接口層使用的地址 [18]。 TCP/IP 協(xié)議數(shù)據(jù)的處理 （ 1）封裝（ Encapsulation） 當(dāng)應(yīng)用程序用 TCP 傳送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)被送入?yún)f(xié)議棧中然后逐個通 過每一層直到被當(dāng)作一串比特流送入網(wǎng)絡(luò)。其中每一層對收到的數(shù)據(jù)都要增加一些首部或尾部信息用于標(biāo)記或控制，如圖所示。 TCP 傳給 IP 的數(shù)據(jù)單元稱作 TCP 報文段或簡稱為 TCP 段（ TCP Segment）。 IP 傳給網(wǎng)絡(luò)接口層的數(shù)據(jù)單元稱作 IP 數(shù)據(jù)報（ IP Datagram）。通過以太網(wǎng)傳輸?shù)谋忍亓鞣Q作幀（ Frame） [19]。圖 25 中幀頭和幀尾下面所標(biāo)注的數(shù)字是典型以太網(wǎng)幀首部的字節(jié)長度。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的物理特性要求其長度必須在 46～ 1500 字節(jié)之間。 UDP 數(shù)據(jù)與 TCP 數(shù)據(jù)基本一致。唯一不同的是 UDP 傳給 IP 的信息 單元稱作UDP 數(shù)據(jù)報，而且 UDP 的首部長為 8 字節(jié)。 由于 UDP、 TCP、 ICMP 和 IGMP 都要向 IP 傳送數(shù)據(jù)，所以 IP 層必須在生成的IP 首部加入某種標(biāo)識，以表明數(shù)據(jù)屬于哪一層。為此 IP 在首部中加入 1 字節(jié)的數(shù)據(jù)，成為協(xié)議域。 0x01 表示為 ICMP 協(xié)議， 0x02 表示為 IGMP 協(xié)議， 0x06 表示為 TCP 協(xié)議， 0x11 表示為 UDP 協(xié)議。 運(yùn)輸層協(xié)議在成報文首部時要存入一個應(yīng)用程序的標(biāo)識符。 TCP 和 UDP 都用一個 16 位的被稱為端口號得二進(jìn)制數(shù)來表示該數(shù)據(jù)報所屬的應(yīng)用程序。發(fā)送方和接收方都有端口號，以此來表示發(fā)送數(shù)據(jù)報 和接受數(shù)據(jù)報的應(yīng)用程序。 TCP 和 UDP 把源端口號和目的端口號分別存入報文首部中。 網(wǎng)絡(luò)接口分別要發(fā)送和接受 IP、 ARP 和 RARP 數(shù)據(jù)，因此也必須在以太網(wǎng)的幀首部中加入某種形式的標(biāo)識，以指明生成數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。為此，以太網(wǎng)的幀首部也有一個 16 位的幀類型域。 黑龍江東方學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 12 用 戶 數(shù) 據(jù)應(yīng) 用 首 部 用 戶 數(shù) 據(jù)應(yīng) 用 數(shù) 據(jù)應(yīng) 用 數(shù) 據(jù)應(yīng) 用 數(shù) 據(jù)U D P 首 部U D P 首 部U D P 首 部I P 首 部I P 首 部E 首 部 E 尾 部1 4 2 0 8以 太 網(wǎng) 幀 （ 4 6 1 5 0 0 字 節(jié) ）應(yīng) 用 程 序 封 裝 數(shù) 據(jù)I P 協(xié) 議 封 裝 數(shù) 據(jù)U D P 協(xié) 議 封 裝 數(shù) 據(jù)以 太 網(wǎng) 驅(qū) 動物 理 媒 介 圖 25 數(shù)據(jù)進(jìn)入?yún)f(xié)議棧的封裝過程 （ 2）分用（ Demultiplexing） 當(dāng)目的主機(jī)接收到一個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀時，數(shù)據(jù)就開始從協(xié)議棧中由底向上升，同時去掉各層協(xié)議加上的報文首部。每層協(xié)議都要 檢查報文首部中由對方上層協(xié)議加入的協(xié)議標(biāo)識，以確認(rèn)將接收到數(shù)據(jù)送給哪個上層協(xié)議處理程序 ,這個過程稱為分用。 相關(guān)協(xié)議報文的格式 （ 1）以太網(wǎng)幀格式 以太網(wǎng)是當(dāng)今 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)采用的主要局域網(wǎng)技術(shù)，采用了 CSMA/CD（載波偵聽多路介入 /沖入檢測）的媒體介入方法，每個通信節(jié)點物理接口的地址由 48 位二進(jìn)制數(shù)表示。在 TCP/IP 協(xié)議中，以太網(wǎng) IP 數(shù)據(jù)報的封裝是在 RFC894 中定義的。 所有的數(shù)據(jù)位的傳輸都以字節(jié)為單位，由低位開始，傳輸?shù)奈涣鞑捎寐兴固鼐幋a，以太網(wǎng)的沖突檢測及重發(fā)策略都是有硬件自動完成的 [20]。 如圖 26 顯示了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報的封裝格式。 同 步 位7 B分 隔